De 9 meest voorkomende fouten bij de installatie en inbedrijfstelling van een warmtewisselaar

Wat zijn de 9 meest voorkomende fouten bij de installatie en inbedrijfstelling van een warmtewisselaar?:

In de meer dan 40 jaar geschiedenis van SACOME als referentie op het gebied van warmtewisselaars en procesindustrie, heeft ons bedrijf duizenden apparaten geleverd voor talrijke en uiteenlopende toepassingen.

In dit artikel hebben we de meest voorkomende fouten bij de installatie en inbedrijfstelling van een warmtewisselaar op een rijtje gezet. Deze fouten kunnen een negatieve invloed hebben op de prestaties van de apparatuur en in sommige gevallen zelfs leiden tot breuk of defecten.

Daarom raden wij onze klanten aan om het advies van onze technische afdeling op te volgen, evenals de installatieaanbevelingen in onze handleiding en gebruiksaanwijzing.

1. Onjuiste plaatsing van de stromingsrichtingen van de vloeistoffen in de warmtewisselaar.

Afhankelijk van de richting van de stroming van de warme en koude vloeistof in een apparaat, zijn er twee manieren om een warmtewisselaar te installeren, zoals te zien is in de volgende afbeelding:

Behalve in enkele zeer specifieke toepassingen, heeft een warmtewisselaar een hogere efficiëntie wanneer deze in tegenstroom wordt geïnstalleerd, omdat met deze opstelling een groter gemiddeld logaritmisch temperatuurverschil (afgekort LMTD) tussen de warme en koude vloeistof wordt bereikt, wat zich vertaalt in een hoger thermisch rendement en dus in een kleiner vereist uitwisselingsoppervlak. In sommige specifieke processen kan echter een opstelling in gelijkstroom de voorkeur verdienen, zodat onze technische afdeling u tijdens de ontwerpfase de beste oplossing voor uw specifieke geval zal aanbevelen.

Dit gezegd zijnde, kan het gebeuren dat de klant bij de installatie en inbedrijfstelling van de apparatuur de in- en uitgangen verkeerd aanlegt, waardoor de apparatuur in gelijkstroom in plaats van in tegenstroom wordt geïnstalleerd, wat om de hierboven genoemde redenen een negatieve invloed kan hebben op de prestaties van de warmtewisselaar.

Om deze situatie te illustreren, geven we een voorbeeld. In de thermische berekening die we hieronder bijvoegen, geven we een proces weer dat in tegenstroom is berekend:

Nu simuleren we dezelfde warmtewisselaar met hetzelfde proces, maar deze keer kijken we naar equicorriente-indeling:

Zoals we kunnen zien, gaat het team van een perfecte uitvoering van het proces (aangezien het overschot aan oppervlakte 14,92% bedraagt) naar een negatief overschot aan oppervlakte (-29,33%), waardoor er een tekort aan uitwisselingsoppervlakte ontstaat en de temperaturen niet kunnen worden bereikt. De verklaring hiervoor is dat het gemiddelde logaritmische temperatuurverschil (in de spreadsheets zien we dit als EMTD) wordt teruggebracht van 26 ºC (bij tegenstroom) naar 16 ºC (bij gelijkstroom), waardoor de thermische prestaties van de apparatuur afnemen.
In de praktijk volstaat het om dit soort problemen te voorkomen door de indeling van de in- en uitgangen te respecteren die is opgenomen in de fabricagetekening die we naar de klant sturen, en die in de overgrote meerderheid van de gevallen overeenkomt met een tegenstroomindeling.

2. Overdruk door een slecht ontworpen gesloten watercircuit.

Er zijn verschillende redenen waarom er tijdens de werking van een buiswarmtewisselaar een ongebruikelijke overdruk kan ontstaan, zoals waterslag of oververhitting van een van de werkvloeistoffen, onder andere. Deze overdruk kan leiden tot zowel plastische vervorming als gedeeltelijke of totale breuk van de mantel of de binnenbuizen, of tot het bezwijken van de balg, wat tot gevolg kan hebben dat de apparatuur onbruikbaar wordt.

In dit verband voegen we enkele typische foto’s toe van bezweken warmtewisselaars en, in het bijzonder, van de expansievoeg, als gevolg van overdruk aan de mantelzijde:

In het onderhavige geval, namelijk overdruk in een slecht ontworpen warmwatercircuit, is het absoluut noodzakelijk om een expansievat of -reservoir in de gesloten waterlus te installeren. Dit onderdeel heeft als functie de drukverhoging van de warmtedrager (bijvoorbeeld water of glycolwater) op te vangen wanneer deze wordt verwarmd. Wanneer de temperatuur van deze vloeistof stijgt, neemt ook het volume ervan toe. Als de vloeistof zich in een gesloten volume bevindt en er geen onderdeel is dat deze uitzetting kan opvangen, ontstaat er aanzienlijke overdruk die kan leiden tot het bezwijken van onderdelen zoals de expansiekoppeling of de binnenbuizen van de warmtewisselaar.

Hieronder vindt u het typische schema van een gesloten watercircuit waarin, naast andere noodzakelijke onderdelen zoals pompen, manometers, kleppen, afvoeren of kijkgaten, ook het expansievat of -reservoir te zien is. Dit is een typische installatie voor warmteterugwinning in een fabriek.

3. Blokkering van de steunen.

Afhankelijk van de opstelling van de apparatuur (horizontale of verticale installatie, één of meerdere modules in serie, enz.), kan de warmtewisselaar op verschillende manieren op de fundering worden geplaatst of ondersteund. In het geval van een enkele module met horizontale opstelling kan deze bijvoorbeeld op twee steunen of poten worden geplaatst, zoals te zien is in de volgende afbeelding:

Als de bouten waarmee het apparaat aan de vloer is bevestigd zodanig zijn verankerd dat het apparaat niet kan bewegen, ontstaat er overbelasting op de uitzettingsvoeg en op de lasnaden tussen de buizen en de plaat, waardoor er scheuren in deze lasnaden kunnen ontstaan. Met dit in gedachten is het raadzaam om, als de warmtewisselaar op twee punten is bevestigd, één van deze punten verschuifbaar te maken of zodanig dat vrije uitzetting mogelijk is.

Vaak maakt de steun of het frame deel uit van de leveringsomvang, in welk geval we al rekening houden met dit soort constructiedetails. Als dit echter niet het geval is en de klant besluit dit op een andere manier te doen, is het belangrijk dat het installatiebedrijf rekening houdt met dit soort details om spanningen (en mogelijke breuken) in de apparatuur te voorkomen. Dit is een van de aanbevelingen die we opnemen in onze instructie- en bedieningshandleiding.

4. Slecht ontwerp van de condensaatleiding.

In een condensor of water/stoomwisselaar kan, als het condensaat niet goed wordt afgevoerd, de behuizing vollopen, waardoor de stoom bij het binnendringen tegen de vloeistoflaag botst en harde geluiden en trillingen veroorzaakt. Om deze afwijking op te sporen, volstaat het om voorzichtig de boven- en onderkant van de behuizing van het apparaat aan te raken zodra het met stoom werkt. Als de bovenkant warm is en de onderkant koud, is het mogelijk dat de behuizing ondergelopen is tot het niveau waarop de oppervlaktetemperatuur verandert. Deze afwijking is een van de soorten waterslag die in een proceslijn kunnen voorkomen.

5. Overmatige vervuiling of “fouling”.

“Fouling” is een fenomeen dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt vermindert, de drukverliezen verhoogt en zelfs corrosieprocessen kan activeren en versnellen. Er bestaan verschillende vervuilingsmechanismen: kristallisatie (typisch in zeer hard water dat rijk is aan zouten zoals calciumcarbonaat, kalk), sedimentatie (afzetting van zand, roest of andere zwevende vaste stoffen), chemisch (in processen waar het product door de temperatuur kan worden afgebroken), bevriezing (wanneer een deel van het product door de procestemperaturen bevriest), biologisch (wanneer onbehandeld water wordt verwerkt, waardoor verschillende soorten organismen of micro-organismen zich kunnen verspreiden), precipitatie van eiwitten (typisch bij melkproducten), enz.

Gezien de complexiteit van dit fenomeen is de oplossing meestal ook niet triviaal en omvat deze vaak verschillende aspecten. Om het probleem te minimaliseren en de productietijden tussen reinigingen te verlengen, kunnen de volgende maatregelen worden genomen:

• Bij het uitvoeren van de thermische berekening kan een grote oppervlakteoverschot worden overwogen of kunnen vervuilingsfactoren worden ingevoerd als veiligheidsfactor. Dit geeft de apparatuur ruimte om vervuild te raken en toch de temperaturen te blijven halen.
• Laat de “vuilere” vloeistof aan de buiszijde circuleren, die gemakkelijker te reinigen is dan de mantelzijde.
• Ontwerp de apparatuur zo dat een hoge verwerkingssnelheid voor de procesvloeistof wordt gegarandeerd, waardoor vervuiling tot een minimum wordt beperkt.
• Zorg voor een ontwerp met een geboute buisplaat, zodat indien nodig de reductie of kop kan worden gedemonteerd en toegang tot de buiszijde mogelijk is.
• Als de vervuilde vloeistof aan de mantelzijde circuleert, kies dan voor een ontwerp met een demonteerbare buizenbundel.

6. Producteigenschappen die afwijken van die welke tijdens de ontwerpfase in aanmerking zijn genomen.

Dit is geen fout die we kunnen associëren met een onjuiste installatie of inbedrijfstelling, maar eerder een ontwerpfout. Aangezien deze fout echter soms onderschat kan worden, vinden we het raadzaam om deze in dit artikel op te nemen.

Om de thermische berekening van een warmtewisselaar correct te simuleren, is het essentieel om zo nauwkeurig mogelijk de thermische eigenschappen te kennen van de vloeistoffen die zowel aan de buiszijde als aan de mantelzijde circuleren.

De belangrijkste thermische eigenschappen zijn de dichtheid, de soortelijke warmte, de thermische geleidbaarheid en de viscositeit of viscositeitscurves, afhankelijk van het Newtoniaanse of niet-Newtoniaanse gedrag van de vloeistof.

Bij SACOME beschikken we over een omvangrijke database met meer dan 600 vloeistoffen. Bovendien kunnen we, dankzij onze nauwe samenwerking met laboratoria van verschillende universiteiten, in het geval dat het te verwerken product een nieuw product op de markt is of onze klant de bovengenoemde parameters niet kent, tests uitvoeren op de eigenschappen in hun laboratoria. Dit geeft ons een zeer solide basis om de berekening te maken van de apparatuur die het meest geschikt is voor de behoeften van de klant.

Hieronder illustreren we met een eenvoudig voorbeeld de invloed die de variatie van sommige van deze parameters kan hebben op de prestaties van een warmtewisselaar.

Gegeven een willekeurig temperatuurprogramma, is dit de thermische berekening van een apparaat waarvan we hebben aangenomen dat er zowel aan de mantelzijde als aan de buiszijde water circuleert:

En dit is de berekening voor dezelfde warmtewisselaar, maar in dit geval heeft de vloeistof een viscositeit van 5 cP, vergelijkbaar met de viscositeit van bepaalde sappen:

Zoals te zien is, levert de berekening met de meer viskeuze vloeistof een duidelijk negatief oppervlakteoverschot op, waardoor er onvoldoende uitwisselingsoppervlakte zou zijn om het proces uit te voeren. In het eerste geval (product met de viscositeit van water) zou het proces daarentegen perfect verlopen. Om dit soort problemen te voorkomen, is het belangrijk om alle beschikbare informatie over de te verwerken producten door te geven aan onze technische afdeling, zodat onze technici de juiste thermische eigenschappen kunnen toepassen.

Gezien het belang dat dit aspect kan hebben, hebben we er een technisch artikel aan gewijd om het dieper te behandelen:

https://www.sacome.com/analisis-propiedades-termicas-fluidos/

7. Corrosie door het gebruik van een te agressieve reinigingsvloeistof.

Vervuiling of “fouling” in een warmtewisselaar is een complex fenomeen dat kan leiden tot verschillende soorten afzettingen en kalkaanslag, zoals olie- en vetafzettingen, kalkaanslag, verschillende soorten organische afzettingen, slib of metaaloxiden. Bij chemische reiniging (Cleaning-in-Place of kortweg CIP) kunnen reinigingsoplossingen met verschillende middelen en concentraties worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld zoutzuur (HCl), fosforzuur (H₃PO₄), salpeterzuur (HNO₃), citroenzuur (C₆H₈O₇), natriumhydroxide (NaOH) en verschillende polyfosfaten (zoals NaPO₄ of Na₃PO₄).

Sommige van deze middelen zijn zeer agressief, wat in combinatie met de temperaturen waarbij deze chemische reiniging gewoonlijk wordt uitgevoerd (normaal gesproken tussen 60 ºC en 80 ºC), kan leiden tot corrosieproblemen (algemeen of plaatselijk, zoals putcorrosie of interstitiële corrosie) in het constructiemateriaal van de warmtewisselaar.

Hieronder geven we enkele zeer basale richtlijnen waarmee rekening moet worden gehouden bij het uitvoeren van CIP-reiniging:

• Raadpleeg een gespecialiseerd bedrijf over de te gebruiken reinigingsproducten en concentraties, evenals het reinigingsprotocol, rekening houdend met het constructiemateriaal van de warmtewisselaar, zowel van de buizen als van de verbindingen.
• Gebruik alleen reinigingsproducten en concentraties volgens de aanbevelingen van dit gespecialiseerde bedrijf. Producten zoals zoutzuur (HCl), fosforzuur, salpeterzuur en andere kunnen bij hoge temperaturen zeer agressief zijn.
• Na afloop van de chemische reinigingscyclus is het raadzaam om grondig te spoelen met water. Anders kan de oplossing bezinken en in bepaalde delen van de apparatuur de concentratie van het reinigingsmiddel verhogen, waardoor het risico op corrosie toeneemt.

8. Corrosie door het gebruik van bedrijfswater met een hoog chloridegehalte.

Soms gebruikt de klant onbehandeld of slechte kwaliteit bedrijfswater, met een hoog gehalte aan zouten en chloride-ionen, wat in combinatie met hoge procestemperaturen kan leiden tot plaatselijke corrosie als de kwaliteit van het gebruikte roestvrij staal niet voldoende is.

Op de afbeelding zien we de inlaataansluiting van een apparaat met dienstwater met een hoge hardheid en een hoog ppm-gehalte aan Cl-, wat heeft geleid tot ernstige vervuiling en het begin van corrosie van de buizen.

9. Invriezen van producten.

Als bij het uitschakelen van het systeem de units niet volledig worden afgetapt, waardoor er vloeistof in achterblijft, en de omgevingstemperatuur onder 0 °C daalt, bestaat het risico dat deze achtergebleven vloeistof bevriest, wat de buizen van de warmtewisselaars kan beschadigen. Daarom raden wij aan om op de laagste punten van de installatie aftapkleppen aan te brengen. Op de afbeelding is een apparaat te zien dat is ingestort door water dat erin is achtergebleven en dat is gestold toen de temperatuur onder 0 °C daalde.

Een andere mogelijke oplossing is het gebruik van vloeistoffen met antivries (bijvoorbeeld propyleenglycol in een geschikte verhouding), die een lager vriespunt hebben dan water.

Om alle bovengenoemde redenen raden wij onze klanten aan om de aanbevelingen van onze technische afdeling en de procedures in onze instructie- en bedieningshandleiding op te volgen.

Technische documentatie over onze warmtewisselaars